PLC定风量空调系统设计

1、目录目录 摘要摘要 .3 第一章第一章 绪论绪论 .4 1.1 空调系统研究背景.4 1.2 国内外空调研究发展及现状.4 1.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展.4 1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展.6 1.3 本论文做的主要工作.7 第二章第二章 空调控制系统的原理及构成空调控制系统的原理及构成 .8 2.1 空调系统的原理.8 2.2 中央空调系统的控制功能和要求.10 2.2.1 空气温度调节系统.10 2.2.2 空气湿度调节系统.11 2.2.3 空调控制系统的要求.13 2.3 空调监控系统的构成.14 第三章第三章 CAV 空调的系统的的原理空调的系统的

2、的原理.16 3.1 定风量系统运行参数与状态监控点版/位及常用传感器，电气控制一、二次接线图和原理图设计.16 3.1.1 定风量空调机组运行参数与状态监控点位及常用传感器.17 3.1.2 状态监控点表.18 3.2 定风量空调系统原理.19 3.3 电器接线图 .20 3.4 系统连锁控制.22 3.4.1 系统连锁控制.22 3.4.2 风量系统运行与调节控制.23 3.4.3 定风量系统连锁控制流程图.24 3.5 PID.24 第四章第四章 监控设计监控设计.28 4.1 硬件设计 .28 4.2 主站程序设计 .28 4.3 从站程序设计 .29 4.4 上位机监控程序设计 .2

3、9 4.4.1 PLC 工作原理.29 4.4.2 组态王工作原理.31 （2） 组态王与 PLC 连接.31 （3）变量定义.32 4.5 主站和从站之间的通讯 .36 4.5.1 主站和上位机之间的通讯.36 4.5.2 主站和温湿度仪表之间的通讯.36 第五章第五章 结束语结束语 .37 第六章第六章 心得体会心得体会 .37 第七章第七章 参考文献参考文献 .38 成员列表成员列表 .39 摘要摘要 随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为 21 世纪建筑业 的发展主流。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一个非常重要的组成部分，在各个 行业、各个部门中得到了广泛的应

4、用，因此对空调系统的研究十分必要。 本课题的任务是在研究空调系统的数学模型基础上，设计空调系统的控制方案，并 对空调温度控制系统进行仿真研究。 文章在介绍了空调系统的原理之后，通过热力学和传热学的知识，利用机理法建立 被控对象即空调房间在定风量系统下的数学模型，求出了空调房间的传递函数，并给出 了传递函数中各参数的确定方法。 文章介绍了过程控制系统中常用的 PID 控制，采用西门子 S7 系列 PLC 作为现场控 制器, 利用 W in cc6. 0 组态软件实现基于 PR O FIBU S- D P 现场总线技术的某空调 监控系统。实践证明: 该系统技术先进、运行稳定、人机界面友好、系统扩充

5、性能强, 全面提高了工程内部维护管理水平。 关键词关键词: : 空调监控系统空调监控系统; ; 可编程控制器可编程控制器; ; W W inin cc6.cc6. 0 0 ; ; PRPR O O FIBUFIBU S-S- D D P P 总线总线 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 空调系统研究背景空调系统研究背景 随着人们生活水平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为 21 世纪建筑业 的发展主流。所谓智能建筑，就是给传统建筑加上“灵敏”的神经系统和“聪明”的头 脑，以提高人们生产、生活环境，给人们带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活条 件。而空调系统是智能建筑中楼宇自动化的一

6、个非常重要的组成部分，在各个行业、各 个部门中得到了广泛的应用。一方面，在空调系统中，通过对空气的净化和处理，使其 温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指标均符合场所的使用要求，以满足人们的 生产、生活需要；另一方面，据统计，空调系统的能耗通常占楼宇能耗的 60%以上，为使 空调系统以最小的能耗达到最佳的运行效果，即满足国际上最新的“能量效率”的要求， 因此，研究空调的控制系统具有很大的经济意义。 随着科技的飞速发展，智能控制的应用范围在逐渐拓展，并且引起了空调控制方案 的变革。同时，信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网 络自动化系统为基础的控制系统。而现场总线就是

7、顺应这一形势发展起来的新技术。 PROFIBUS - DP 总线技术为智能控制的实施提供了广泛的发展空间，促使智能控制向着分 散化、网络化方向发展，并且智能控制由于不依赖于系统的精确模型，而且具有超调小、 调节迅速、上升时间短和很好的鲁棒性的特点，使得智能 PID 控制应用会越来越广泛。 1.21.2 国内外空调研究发展及现状国内外空调研究发展及现状 本文从两个方面研究空调系统，一是从空调系统的数学模型方面，二是从空调系统 的控制方案方面。 1.2.11.2.1 空调系统建模方面的国内外研究状况及发展空调系统建模方面的国内外研究状况及发展 要研究一个系统，必须知道这个系统的模型。系统模型是研究

8、和掌握系统运动规律 的有力工具，它是认识、分析、设计、预测、控制实际系统的基础，也是解决系统工程 问题不可缺少的技术手段。因此，建立有效且可靠的系统模型是我们研究空调系统的首 要任务。实践中有两类基本方法可以获得系统的数学模型，一种是理论的方法，即应用 系统所遵循的物理定律进行理论推导，称为数学建模；另一类是实验方法，即分析实验 数据，找出系统中各物理量之间的关系，成为系统辨识。建立一个满足需要的系统模型， 没有普遍的方法可循，因为不同的过程或系统都有各自的特点。 此外，良好控制器的设计和控制参数的调节也有赖于系统的数学模型。所以近年来 国内外的学者也都热衷于建立空调系统的模型。 早在 198

9、5 年美国学者 ClarkDR 等就已经在 ASHRAE 上发表文章，建立了送风管道的 数学模型。由于当时此项工作刚处于起步阶段，他建立的数学模型是在非常理想的条件 下推导的，而且最后建立的送风管道的数学模型就是一个纯滞后环节，这一结论对我们 现在的工作仍有一定的指导意义。而且更重要的意义是他引起了人们对空调系统建模的 关注。1900 年 Underwood 和 Crawford 合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的 基础上提出了水加热器的数学模型，该模型是以热水加热器中热水的流速为输入量，以 加热器出口处空气的温度为输出量的。同一时期，Maxwell 也在实验的基础上获得了冷却 器的

10、模型。Len R. Glicksman 在 1997 年给出了家用空调房间的模型，房间送风采用典型 的侧面送风，并且用随机信号模拟房间内人员变化情况对控制系统的干扰，这一点对我 们研究空调控制系统很有启发。随着控制系统的发展，空调系统的建模越来越细化。由 于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对 空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想 对我们研究空调系统很有价值。 国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在 1999 年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用 RC 模型代替空调系统各个环节的模

11、型， 此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在 2002 年通过对空调房间的热 力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始 关注基于现代智能控制理论的各环节模型，北京机械工业学院的刘元威在 2003 年利用三 层前馈人工神经网络，结合传统的表冷器模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。 同济大学孟华老师在 2004 年从热力学和传热传质的基本原理出发，以 TANSYS 为仿真平 台，建立了表冷器的数学模型。李绍勇则针对广义预测控制，推导了空调房间的 CARIMA 模型（受控的自回归积分滑动平均模型）。 1.2.2 空调控制系统国内外研究现状及发展

12、空调控制系统国内外研究现状及发展 伴随着计算机控制技术的发展，世界上 HVAC-供热通风与空调工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制 系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中 式控制系统。直到 1984 年，美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦 的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目 前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了 DDC（Direct Digital Control） 。 作为控制系统中的主要单元控制器，目

13、前国内外主要采用的是常规 PID 控制，因其 控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒 性-系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982 年 Shavit 和 Brandt 等对由控 制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984 年 Brandt 和 Shavit 对 PID 控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995 年 Kalman 等人将 PID 控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型 以及 PID 算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上， 现在大多

14、数空调系统都是采用 PID 控制。虽然 PID 控制在空气调节中广泛使用，但是由 于 PID 算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调 好参数的 PID 控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差， 甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又 转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。 智能控制与传统的 PID 控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型， 同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出 控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器

15、的最佳结构形式，以获取整体最优控制性 能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难， 所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985 年日本“三菱重工”就开发出了 以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的 Albert.P.SO 等人于 1994 年开发出空 调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的 S.Huang 和美国的 Nelso 对基于规则 的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策 略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999 年 Kasahara 等设计了自适应 PID 控制器， 此控制器可以应用于被控模

16、型不太精确的场所。Ghiaus 则证明了热交换过程这一非线性 过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服 PID 控制过程出现的超调。国内学者 对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器 在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因 子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，优化了控制效果。同 时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。李志浩采用空 调负荷预测作为优化控制的手段，张韬等对自回归法在空调系统中的应用进行了分析和 研究，并在此基础上就如何提高预测算法的准确性和实用性提出了一些想

17、法，该方法可 以实现空调系统的在线识别和预测。但其预测结果精度还不太理想，所以还有待改进。 综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理 论的发展，智能 PID 控制必将在空调系统中得到广泛的应用。 1.31.3 本论文做的主要工作本论文做的主要工作 本论文以空调系统为研究对象，主要做了以下工作： （1）深入学习集中式空调系统的各个环节，掌握各种空调系统原理和空调的控制要 求及性能指标，同时讨论了空调监控系统组态软件的设计方法。 （2）通过热力学和传热学的知识，利用基理法建立空调房间的数学模型，并对空调 房间的特性参数进行了估算。同时建立了表冷器和系统其他环节的数学

18、模型。为控制方 案的确定和控制参数调整奠定了基础。 （3）利用单回路闭环控制系统实现空调房间的温度控制，利用工程整定法整定 PID 控制器参数，使系统取得良好的控制效果，利用 STEP7 仿真软件仿真控制效果。并且用 信号发生器产生特定的干扰信号模拟空调房间内人员进出的干扰情况，仿真系统有受干 扰时的响应特性。 第二章第二章 空调控制系统的原理及构成空调控制系统的原理及构成 2.12.1 空调系统的原理空调系统的原理 要讨论空调控制技术，就必须对控制对象即空调系统有全面、深入的了解。只有掌 握了其原理、特性、要达到的目的及实现手段才能决定采用何种控制策略。本文在此先 对空调系统原理及组成作一介

19、绍。 空气调节，就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，将室内空气的 温湿度、流动速度和洁净度等控制在一定范围内。影响室内空气环境参数的变化，主要 是由以下两方面造成的。一是外部原因，如太阳辐射和外界气候条件的变化；另一方面 是内部原因，如室内人和设备产生的热、湿和其它有害物质。当室内空气参数偏离了规 定值时。就需要采取相应的空气调节措施和方法，使其恢复到规定的要求。 一般的空调系统包括以下几个部分: (1)(1)进风部分进风部分:根据生理卫生对空气新鲜度的要求，空调系统必须有一部分空气取自 室外，常称新风。进风口连同引入通道和阻止外来异物的结构等，组成了进风部分。 (2)(2)空气

20、过滤部分空气过滤部分: :由进风部分取入的新风，必须经过一次预过滤，以除去颗粒较大 的尘埃。一般空调系统都装有预过滤器和主过滤器两级过滤装置。根据过滤的效率不同 可以分为初效过滤器、中效过滤器和高效过滤器。 (3)(3)空气的热湿处理部分空气的热湿处理部分: :将空气加热、冷却、加湿和减湿等不同的处理过程组合在 一起统称为空调系统的热湿处理部分。热湿处理设备主要有两大类型:直接接触式和表面 式。 直接接触式:与空气进行热湿交换的介质直接和被处理的空气接触，通常是将其喷淋 到被处理的空气中。喷水室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用固体吸湿剂的设 备均属于这一类。 表面式:与空气进行热湿交换的

21、介质不和空气直接接触，热湿交换是通过处理设备的 表面进行的。表面式换热器即我们简称的表冷器就属于这一类。 (4)(4)空气输送和分配部分空气输送和分配部分: :将调节好的空气均匀地输入和分配到空调房间内，以保证 其合适的温度场和速度场。这是空调系统空气输送和分配部分的任务，它由风机和不同 型式的管道组成。 (5)(5)冷热源部分冷热源部分: :为了保证空调系统具有加热和冷却能力，必须具备冷源和热源两部 分。冷源有自然冷源和人工冷源两种。自然冷源指深井水。热源也有自然和人工两种。 自然热源指地热和太阳能。人工热源是指用煤、煤气等作燃料的锅炉所产生的蒸汽和热 水，目前应用最为广泛。 空气调节的形式

22、很多，按照空气处理设备的设置情况，一般可分为:集中式空调系统 (又称中央空调)、半集中式空调系统和全分散式空调系统。其中，集中式空调系统的所 有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个空调集中 的空调机房内，其特点是，经集中设备处理后的空气，通过风道分送到各空调房间，因 而，系统便于集中管理、维护。此外还具有节能、卫生、噪音小、使用方便等特点，目 前已被广泛采用。 在集中式空调系统中，常见的是混风式系统。该系统的特点是采用一部分回风与新 鲜空气相混合。这样既保证了室内空气新鲜，又利用了回风的能量，提高了设备运行的 经济性。图 2.1 为一典型的集中式空调系统。 图图

23、 2.12.1 典型的集中式空调系统典型的集中式空调系统 这种空气处理机组能根据各种场合要求增减其中的部件，构成各种形式的空气处理设 备。在不同的工况中，AHU ( Air Handling Unit)的部分部件可能不被使用。如在冬季 加热加湿工况下，表冷器是不工作的;而在夏季减温减湿工况下，加热器和加湿器是不工 作的。空调器的进风通过风阀取室外新风和部分回风混合，经过滤网去除杂质后送入热 交换段及加湿段，处理后符合温湿度要求的空气通过风机进入送风管，从而送到空调房 间，使空调房间的温湿度达到要求。部分回风与新风混合，对新风预处理，以节约能源。 此外，当室内空气余热 Q 值发生变化而又需要使室

24、内温度保持不变时，可将送风量 固定，而改变送风温度，这种空调系统称为定风量 CAV ( Constant Air Volume )系统; 也可将送风温度固定，而改变送风量，这种空调系统则称为变风量 VAV（Variable Air Volume)系统。本论文就是针对定风量空调系统的温度控制部分进行研究的。 2.22.2 中央空调系统的控制功能和要求中央空调系统的控制功能和要求 空调系统控制的主要对象是:空气温度及相对湿度。下面分别从温度和相对湿度两个 方面介绍空气调节系统。 2.2.12.2.1 空气温度调节系统空气温度调节系统 1一般空气的温度调节有以下几种方式 (1)夏季制冷 A.采用喷水

25、室喷冷水冷却空气的温度调节 B.采用水冷式冷却器冷却空气的温度调节 （2)冬季加热 A.热水加热器的加热量调节 B.蒸汽加热器的加热量调节 C.电加热器的加热量调节 各种温度控制方式都有其特点，针对不同项目实际情况，要分析后采用合适的温度 控制方案。由于温度控制分为夏季的冷却和冬季的加热两种情况，其控制方式也会有所 不同，下面分别加以介绍。 2.夏季制冷控制方案 由于喷水室冷却方式为开环系统会引起回水水质下降且容易漏水，故目前基本不采 用。本次只讨论水冷式表面冷却器的空气温度调节方法。 对于空气冷却调节一般有以下几种方式： (1)水量的量调节:利用双通阀改变通过冷却器的冷水量来调节 (2)水温

26、的质调节:利用三通阀改变冷冻水和回水的混合比调节水温 (3)调节通过冷却器的风量来调节最后混合后的送风温度 3.冬季加热控制方案 加热方式选择： 加热一般有热水加热、蒸汽加热、电加热三种方式可以选择。三种热源发生方 式及经济性比较如下表 2.1。 表 2.1 空调加热方式比较 加热方式热源特性经济性 热水加热由热泵机组提供时滞长，反应较慢，控制复杂价格中 蒸汽加热由当地工业区提供热源温度、流量较稳定，动态特性中价格低 电加热通过电热器提供控制精度高，控制简单价格高 从上表可看出，电加热具有控制精度高、控制简单的优点，但其热效率低、浪费能 源、价格高，作为主调节不合适，一般用于恒温室等对动态特性

27、要求特别高的区域的辅 助调节手段。一般对动态特性没有特殊要求的，不考虑采用。由于当地工业区可以提供 的蒸汽是一种廉价、稳定的热源，一般将其作为主调节手段。如果控制对象产生的热扰 动较大，蒸汽系统调节阀全开仍不能满足要求，为改善动态特性，将启动热泵机组提供 热水作为辅助调节。另外如果工业区蒸汽管网系统出现故障，也可以将热水加热作为备 用加热方式。 2.2.22.2.2 空气湿度调节系统空气湿度调节系统 空调系统中的相对湿度调节，可以采用定露点(间接)和不定露点(直接)的控制方法。 定露点法是采用使空气经喷水室后或喷水表面冷却器后露点相对恒定的方法，使空 调房间内空气的相对湿度保持在一定范围内。自

28、动控制点的露点一般是由空调系统设计 时确定的。由于定露法不能反映室内余湿量或相对湿度的变化，存在着室内湿度的偏差， 故此种方法一般用于室内余湿量变化幅度较小的场合。 不定露点的直接控制方法，即用在房间内及回风管内安装的相对湿度传感器，测量 和调节系统中相应的执行机构，以达到空调房间内相对湿度控制的目的。在夏季，由于 空气湿度较大，需要降低湿度;而冬季由于空气干燥，又需要加大湿度。这两种功能可分 别由水冷式表面冷却器和蒸汽加湿来实现。 1 1水冷式表面冷却器的去湿控制水冷式表面冷却器的去湿控制 该去湿方法的原理其实就是冷却，由于相对湿度较大的空气其露点温度高。空气冷 却降温后，水蒸汽结露为水，从

29、而降低空气的湿度。在冬季空气干燥或夏季高温处于冷 却模式时，基本都不需要强制去湿。而当温度不高，而湿度较大时，则根据室内湿度探 测器的信号与设定值比较，根据其差值，调节冷冻水阀门开度，强制启动制冷模式，调 低冷却器出口的空气温度以满足去湿要求。此时，由于送风温度偏低，为满足室内温度 要求，根据温度探测器的信号，可能要启动蒸汽加热功能，以补偿温度的偏差。其工作 原理如图 2.2。 图 2.2 水冷式表面冷却器的去湿控制 2 2喷蒸汽加湿的控制喷蒸汽加湿的控制 采用蒸汽加湿空调系统，它是由装于室内的相对湿度传感器 ME、电动双通调节阀 MV、及相对湿度调节器 MC 组成。它在调节过程中，根据湿度传

30、感器所测得的室内相对湿 度值，由调节器进行比较、放大后发出调节信号，使电动调节阀动作，改变喷入空气中 的蒸汽量，达到调节室内湿度的目的。示意图如图 2.3 所示。 图 2.3 喷蒸汽加湿控制 2.2.3 空调控制系统的要求空调控制系统的要求 为达到要求的控制精度且便于用户使用，中央空调控制系统必须完成以下主要功能: (1)空调区域温、湿度检测与显示。根据空调区域的面积，采用若干个温、湿度传 感器，将其信号取平均值计算。空调区域温、湿度的自动控制。 (2)新风温、湿度检测与显示。 (3)送、回风机运行状态(开机/停机)显示，及其启停控制(可通过自动和手动两种 方式)、过载故障报警。 (4)送、回

31、风机与防火阀联锁，发生火灾时防火阀报警并自动关闭送、回风机与风 阀。 (5)过滤器过阻报警，提醒运行人员及时清洗更换过滤器。 (6)自动调节表冷器或加热器上的三通阀和电动风阀的开度，以调节冷冻水或蒸汽 的流量。 中央空调系统对控制系统的要求一般可概括为对控制区域的温湿度、新风量、冷冻 水流量的控制等几个方面。其中，空气处理机组是指集中在空调机房的集中式空气处理 设备，包括送、回风机、过滤器、冷却器或加热器、加湿器等，它是整个中央空调系统 的重要组成部分和核心。控制的目标是将室内的温湿度参数保持在适宜的水平，并且尽 量使系统的能耗最小。 2.32.3 空调监控系统的构成空调监控系统的构成 西门子

32、 S 系列 PLC 由于可靠性高、通讯能力强、操作便捷、性价比高、抗干扰性强, 非常适用于楼宇自控系统, 并且可采用先进的 PROFIBUS - DP 现场总线技术和西门子 Wincc6.0 组态软件提供友好的人机界面, 组成以工业控制计算机 IPC 和可编程控制器 PLC 为站点的现场总线控制系统。本文就某定风量空调采用 SIEMENS S 系列 PLC 以及 Wincc6.0 组态软件来实现基于 ROFIBUS- DP 现场总线技术空调监控系统的设计进行了介 绍。下图 2.2 是几种有影响的现场总线技术的比较. 表 2.2 几种有影响的现场总线技术的比较 现场总线类型 特性 FFProfi

33、busHARTCANLonworks 应用范围仪表 PLC 智能变送器汽车楼宇自动化 OSI 网络层次1、2、3、81、2、71、2、71、2、7 17 通讯介质 双绞线、电 缆、光纤、 无线等 双绞线、 光纤 电源信号线 双绞线、 光纤 双绞线、电 力线、电缆、 光纤、无线 等 介质访问方式令牌、主从令牌、主从令牌、查询位仲裁 P-P CSMA 纠错方式 CRCCRCCRCCRCCRC 通讯速率 2.5Mbps1.2 Mbps1.2 Mbps1 Mbps1.25 Mbps 最大节点数 3212815110248 优先级有有有有有 保密性 - 身份认证 本质安全性是是是是是 开放工具有有 -

34、有有 该地下空调控制系统主要由通风系统、温湿度及 CO2 监控系统、除湿空调机组控制 系统、冷却水循环控制系统和上位监控系统组成。控制系统分为远程、就地两地控制及 手动、自动两种控制方式。可实现: 1) 空调机房的除湿空调机远程就地启停设定、运行 方式设定; 2) 空调机房的除湿空调机的故障显示, 报警及存储信息; 空调机房的送风机 运行状态监视及故障报警; 3) 空调水库水位, 水温检测,并能在高温报警时排水和补水, 冷却塔及冷却水泵, 补水泵的运行状态监视及故障报警, 以及与空调机组的 联动; 4)工 程内部典型房间的温度和湿度的监视, 存储和曲线绘制, 工程外部温度和湿度的监视、 存储和

35、曲线绘制, 计算对比工程内部典型房间的含湿量, 便于工作人员发现问题; 5) 工 程内部典型房间的 CO2 浓度监视、存储和曲线绘制; 6) 口部进排风系统的远程就地启动, 运行状态的监视等。根据设计的要求, 该空调系统的设备控制采用了西门子的 S7 系列 PLC, 灵活配置各种不同的输入、输出模块; 配置一台上位机, 通过与 PLC 进行通讯, 实 现集中控制、数据记录和打印等功能。控制系统的硬件结构如图所示。 图图 2.32.3 监控系统的基本结构监控系统的基本结构 第三章第三章 CAV 空调的系统的的原理空调的系统的的原理 3.13.1 定风量系统运行参数与状态监控点版定风量系统运行参数

36、与状态监控点版/ /位及常用传感器，电气控制位及常用传感器，电气控制 一、二次接线图和原理图设计一、二次接线图和原理图设计 代号用途状态导线规格 A、B、C电动调节风阀 AO 4（0.751.5） D、U、E新风、回风、送风湿度 AI 4（0.751.5） E、V、X新风、回风、送风温度 AI 2（0.751.5） F 过滤器堵塞信号 DI 2（0.751.5） G 防冻开关信号 DI 2（0.751.5） H 电动调节阀 AO 4（0.751.5） I、Q风机启停控制信号 DO 2（0.751.5） J、P工作状态信号 DI 2（0.751.5） K、Q故障状态信号 DI 2（0.751.5

37、） L、R手/自动转换新号 DI 2（0.751.5） M、S风机压差检测信号 DI 2（0.751.5） N 电动调节蒸汽阀 AO 4（0.751.5） T CO2浓度 AI 4（0.751.5） 空调机组控制原理图空调机组控制原理图 3.1.1 定风量空调机组运行参数与状态监控点位及常用传感器定风量空调机组运行参数与状态监控点位及常用传感器 室外室外/ /新风温度测量新风温度测量：取自安装在室外室外/ /新风口上的温度传感器，采用室外室外/ /风管空气温度传感器。 室外室外/ /新风湿度测量：新风湿度测量：取自安装在室外室外/ /新风口上的湿度传感器，采用室外室外/ /风管空气湿度传感器。

38、 在 BAS 系统中，不是所有新风口上都安装新风温/湿度传感器，只需要在有代表性的少数信封入口或 者室外适当的监测点安装，测量值可供BAS系统共用。 过滤网两侧差压监测：过滤网两侧差压监测：取自安装过滤网上的压差开关输出，采用压差开关监测过滤网两侧压差。 送送/ /回风温度测量：回风温度测量：取自安装在送/ /回回风管上的温度传感器，采用风管空气温度传感器。 送送/ /回风湿度测量回风湿度测量：取自安装在送/ /回回风管上的湿度传感器，采用风管空气湿度传感器。 空气质量检测：空气质量检测：取自安装在空调区域的空气质量传感器，常选用二氧化碳(CO)传感器。 送风风速检测：送风风速检测：取自送风管

39、上的风速传感器，采用风管式风速传感器。 防冻开关状态监测：防冻开关状态监测：取安装在送风管靠近表冷器出风侧的防冻输出，只有冬天气温低于 0的北方 地区使用。 送送/ /回风机运行状态监测：回风机运行状态监测：送/回配电柜接触器辅助触点，也可用监测点在风机前后的差压开关监测。 送送/ /回风机故障监测：回风机故障监测：送/回风机配电柜热继电器辅助触点。 送送/ /回风机启停控制：回风机启停控制： 从 DDC 数字输出口(DO)输出到送/回风机配电箱接触器控制回路。 新风口风门开度控制：新风口风门开度控制：从 DDC 控制器数字输出口(D0)输出到新风口风门驱动器控制输入点。 回风回风/ /排风风

40、门开度控制：排风风门开度控制：从 DDC 控制器数字输出口(D0)输出到回风/排风风门驱动器控制输入点。 冷冷/ /热水阀门开度调节：热水阀门开度调节：从 DDC 模拟输出口(AO)输出到冷热水二通调节阀阀门驱动器控制输入口。 加湿阀门开度调节：加湿阀门开度调节：从 DDC 模拟输出口(AO)输出到加湿二通调节阀阀门驱动器控制输入口。 3.1.2 状态监控点表状态监控点表 监测、控制点描述AIAODIDO接口位置 送风机状态监测送风机状态监测送风机配电柜接触器辅助触点 送风机故障监测送风机故障监测送风机配电柜热继电器辅助触点 送风机手/自动转换状态送风机动力柜控制电路，可选 送风机开风机开/

41、/关控制关控制DDC数字输出接口到送风动力柜直接出其控制回路 回风机运行状态回风机主动力柜主接触器辅助触电 回风机故障状态回风机主动力柜主电路热继电器辅助触点 回风机手/自动转换状 态 回风机动力柜控制电路，可选 回风机开/关控制DDC数字输出接口到回风机动力柜主接触器控制回 路 空调冷冻水/热水阀门 调节 DDC模拟输出接口到冷热水电动阀驱动器控制口 加湿阀门调节DDC模拟输出接口到加湿电动阀驱动器控制口 新风口风门开度控制DDC模拟输出接口到送风门驱动器控制口 回风口风门开度控制DDC模拟输出接口到回风门驱动器控制口 排风口风门开度控制DDC模拟输出接口到排风门驱动器控制口 房东报警低温报

42、警开关 过滤网压差报警过滤网压差传感器 新风温度风管式温度传感器，可选 新风湿度风管式温度传感器，可选 室外温度室外温度传感器，可选 回风温度风管式温度传感器 回风湿度风管式湿度传感器 送风温度风管式温度传感器，可选 送风风速风管式风速传感器，可选 送风湿度风管式湿度传感器，可选 空气质量空气质量传感器（CO2,CO浓度） 合计 3.23.2 定风量空调系统原理定风量空调系统原理 定风量空调系统由风系统和水系统两部分组成, 而此系统的目的就是通过水系统调 节送风状态,再通过风系统去改善室内的温、湿度, 按照室内人员的要求创造满足一定范 围温度、湿度要求的舒适环众所周知, 空调系统中的各个设备容

43、量是由工程设计人员根 据空调房间内可能出现的最大热、湿负荷而选择的. 在空调的实际运行中, 由于空调房 间受到内部和外部各种条件的干扰而使室内热、湿负荷不断地发生变化. 自动调节系统 就要指挥各有关执行调节机构改变其相对位置, 从而使实际输出量发生改变以适应空调 系统的变化, 满足被控参数的要求. 空调系统传递滞后较大, 且是一个干扰大、高度非 线性、随机干扰因素多的系统. 定风量空调系统原理图定风量空调系统原理图 1 1排风排风; ; 2 2 回风机回风机; ; 3 3空调区域空调区域; ; 4 4 排风阀门调节排风阀门调节;5;5 回风阀门调节回风阀门调节; ; 6 6 回风温度监测回风温

44、度监测; ; 7 7 初效过滤初效过滤; ; 8 8 表冷器表冷器;9;9 送风送风; ; 1010 送风机送风机; ; 1111 新风新风; ; 1212 送风阀门调节送风阀门调节;13;13 送风温度监测送风温度监测; ; 1414 过滤器超压报警过滤器超压报警; ; 1515 冷水冷水; ; 1616 热水热水 3.33.3 电器接线图电器接线图 图（图（1 1） 符号型号及规格器件名称 TE-101TS 风管式温度传感器 HE-101102HT 风管式湿度传感器 TC-101TC 温度控制器 TV-101102VG 电动调节阀 PdA-101P3 过滤堵塞信号 FV-101103M9

45、电动调节风阀 TS-101A1 防冻开关 HC-101HC 温度控制器 HC102W2 高湿断路恒温器 AC-1JC-5 仪表控制盘 图（图（2 2） 序号符号名称型号，规格单位数量备注 1QF 低压熔断器LsonoxS 系列 NS 系 列或 TM3O 系列或 MD 系列或 S253S-K 系列或 C45AD/3P 系列 个 1 2QS 隔离开关OT125A3 或 HL30- 100/3 个 1 3KM 接触器EB.LC1 系列220V个 1 4KH 热续电器T.LR2 系列或 JRD22 系列 个 1 5FU 熔断器 RL8-16/6A 个 1 6SA 万能转换开关 LW12-16D0401

46、 个 1 定位 型 7SS SF 控制按钮 LA25-2 个 2 1 红 1 绿 8HW.HG 信号灯 AD11-25/40G 220V 个 2 1 白 1 绿 9 端子排 JH2-2.5L 排 1 10SS1 .SF1 控制按钮 LA25-2 个 2 装于现场，1 红 1 绿 11S 主令开关 LA25-2X/2 个 1 装于现场 12YF 防火阀70C 或 280 C 个通风专业定 3.43.4 系统连锁控制系统连锁控制 3.4.1 系统连锁控制系统连锁控制 定风量空调机组启动顺序控制：定风量空调机组启动顺序控制： 新风风门、回风风门、排风风门开启送风机启动回风机启动冷热水调节阀开启加湿阀

47、开启。 定风量空调机组停机顺序控制：定风量空调机组停机顺序控制： 关加湿阀关冷热水阀送风机停机新风风门、回风风门、排风风门关闭。 3.4.2 风量系统运行与调节控制风量系统运行与调节控制 (1)(1)定风量空调机组的温度调节与节能策略定风量空调机组的温度调节与节能策略 定风量空调系统的节能是以回风温度为被调参数， 计算回风温度与给定值比较所产生的偏差，按 照预定的调节规律(如 PID)输出调节信号控制空调机组冷热水阀门的开度以控制冷热水量，使空 调区域的气温保持在设定值。一般夏天空调温度低于 28，冬季则高于 16。 室外温度是对上述调节系统的一个扰动量，把新风温度作为扰动信号加入调节系统中，

48、可采用前 馈补偿的方式消除新风温度变化对输出的影响。 在过渡季节或特别的天气，室外温度在空调温度设定值允许的范围内时，空调机组可采用全新风 工作方式。关闭回风风门，新风风门和排风风门开到最大，向空调区域提供大量新鲜空气，同时停止 对空气温度的调节以节约能源 (2)(2)空调机组回风湿度调节空调机组回风湿度调节 空调机组回风湿度调节与回风温度的调节过程基本相同，把回风湿度传感器测量的回风湿度送入 控制器与给定值比较，产生偏差，DDC 控制器按 PI 规律调节加湿电动阀开度，将空调房间的相对湿 度控制在设定值 (3)(3)新风风门、回风风门及排风风门调节新风风门、回风风门及排风风门调节 根据新风的

49、温湿度、回风的温湿度在 DDC 进行回风及新风焓值计算，按回风和新风的焓值比例以 及空气质量检测值对新风量的需要量，控制新风门和回风门的开度比例，使系统在最佳的新风回风 比状态运行，以便达到节能的目的。 （4 4）过滤器差压报警、机组防冻保护）过滤器差压报警、机组防冻保护 当压差开关测量过滤器两端差压，当差压超限时，压差开始报警，表明过滤网两侧压差过大，过 滤积灰积尘、堵塞严重，需要清理、清洗。 （5 5）空气质量控制空气质量控制 为了保证空调区域的空气质量，应选用空气质量传感器，监测室内CO2浓度，C02的浓度监测值可以 直接用于控制新风阀的开度，保证最小新风量的供给。 （6)6)空调机组的

50、定时运行与设备的远程控制空调机组的定时运行与设备的远程控制 显示风机、风阀、水阀、蒸汽阀、送风和室内空气等的运行状态； 过滤器压差过大、送风温度超过低限、风机电动机过载停机等提供报警； 中央站修改送风参数、室内参数设定值、风机起停时间程序。时间程序包括工作时间与下班时间、 周末及节日进行设定； 中央站应能对设备进行直接控制，中央站记录和打印设定参数、运行参数、积累和分析运行数据。 3.4.3 定风量系统连锁控制流程图定风量系统连锁控制流程图 连锁控制流程图连锁控制流程图 3.53.5 PIDPID 近几年随着楼宇大楼的出现，定风量空调系统使用有不断增加的趋势。这主要是智能大楼内办公自动 化和通

51、讯自动化的设备比较贵重，为防止空调水管结露和漏水损坏设备而采用定风量空调系统 CAV （Constant Air Volume） ，另外，定风量空调系统就有很好的舒适性，所以定风量空调系统得到了广 泛的应用。随着国内办公大楼智能化程度的提高，特别是有的采用楼宇自动化系统化后，为 CAV 系统 的控制以及实施合理的控制方法提供了保障。我们着重讨论 CAV 方式下空调房间的数学建模，并进 一步对整个系统进行了 Matlab 仿真，具有重要的理论价值和实际的应用价值。CAV 空调系统的基本 原理全空气空调系统设计的基本要求，是要向空调房间内输送足够数量的、经过一定处理了的空气， 用以吸收室内的余热和

52、余湿，从而维持室内所需要的温度和湿度。进入房间的风量按下式确定： 式(3.1) 中，L 送风量，m/h;Q 为空调送风所要吸收的全热余热和湿热余热； 为空气密度， kg/m3, 在这里我们取 =1.2；c 为空气定压比热，单位是 kg kJ / , 可取 c=1.01；tn、ts 为室内 空气温度（或 者回风温度）和送风温度, 。我们由（1 ）式可知，当室内空气余热 Q 值发生变化而又需要使温 度 tn 保持不变时，可将送风量 L 固定，而改变送风温度 ts，这种空调系统称为定风量 CAV（ConstanAir Volume）系统 CAV 方式下空调房间的数学模型自动控制空调系统的主要任务是维

53、持空调房间的温、湿 度在工艺要求的范围内。空调房间就是自动控制空调系统的被控对象。自动控制空调系统中，空调房 间的输入可归纳为两类，一类是控制器的输出 p（t ） ，称为对象的“基本扰动” 。另一类为对象的扰 动作用，n1(t) n2(t) nN(t),称为“外部扰动” 。这样在多个输入信号的作用下，对象的输出为： 式（3.2 ）中，G(s) 为 n1(t)、n2(t) nN(t)不变时，被控量 y(t)与控制作用 p(t) 之间的传递函 数；Gn1(s) 为 p(t)、n2(t) nN(t) 不变时，被控量 y(t)与扰动作用 n1(t) 之间的传递函数；GnN(s)为 p(t) 、 n1(

54、t) 、nN-1(t) 不变时，被控量 y(t)与扰动作用 nN(t) 之间的传递函数。Y(s) 、P(s)、 N(s) 分别 为被控量 y(t) 、控制信号 p(t) 及扰动信号 n(t)的拉氏变换。空调负荷（冷负荷）主要由各种传热、 照明、室内发热设备、人体等散热负荷以及太阳辐射等因素构成。 空调房间数学模型的推导空调房间 实质上是一个恒温恒湿室。为了分析方便，我们把图 1 所示的恒温恒湿室可以看成一个单容对象，在 建立数学模型时，暂不考虑它的纯滞后。由于外界通过围护结构进入室内需要很长的延时，所以在这 里暂不考虑通过围护结构由室外向室内的传热量。根据能量守恒定律，单位时间内进入恒温恒湿室

55、的 能量减去单位时间内有恒温恒湿室流出的能量等于恒温恒湿室中能量储蓄存量的变化率。即： 式（3.3）中 nq 为室内散热量，kJ/h； 1C 为恒温恒湿室的容量系数（包括室内空气的蓄热和设备的 与围护结构表层的蓄热）,kJ/；r 为恒温恒湿室内围护结构的热阻, h /kJ ； 0t 为室外空 气温度，, 其它符号同（3.1 ）式相同。对于定风量（CAV ）方式，即固定送风量 L 而改变送风温 度 ts 的空调系统，将式（3.3）整理为： 其中，T1 为恒温恒湿室的时间常数， （T1 表示对象的热容 C1 和热阻 R1 的乘积，即 T1=R1C1，其中 R1 为恒温恒湿室的热阻，k /kJ ）

56、，K1 为恒温恒湿室的放大系数, / ；tf 为室内外干扰量换算成送风温度的变化, 。式（3.4）就是恒温恒湿室在定 风量（CAV）方式下的数学模型。式中 ts 和 tf 是恒温恒湿室的输入参数，又称输入信 号，其中 ts 起调节作用，而 tf 起干扰作用；而 tn 是恒温恒湿室的输出参数，又称 输出信号。调节作用至被控参数的信号联系称为调节通道，干扰作用至被控参数的信号 联系称为干扰通道。在自动调节系统中，主要考虑被调量偏离给定值的过渡过程，则用 增量的形式表示为： 上式称为干扰通道的微分方程式。 当考虑恒温恒湿室纯滞后 1 的影响时，并用传递函数来表示，则在定风量（CAV）方式 下空调房间

57、对象用一阶带滞后的惯性环节来表示，即传递函数（结构图如图 3.1 所示） 为 定风量（定风量（CAVCAV）系统下恒温室模型的结构图）系统下恒温室模型的结构图 由于室外空气状态的变化和室内热湿负荷的变化以及空气处理机组内各种阀门调节 的非线性，加之房间的热惯性，导致直接通过风阀和水阀控制房间的温湿度有一定的困 难，因此可以采用串级控制的方法，如下图所示空调系统工况时的控制结构。在该系统 中，分别利用安装于表冷段之后和送风风道中的风道温湿度传感器，组成控制子回路和 再热控制子回路。 同样，采暖工况时仍可保留中间温湿度传感器的检测回路，对新风 与回风混合带来的动态扰动偏差进行校正以提高性能。主控制

58、器也承担空调对象控制的 主控回路功能，与子系统的内部控制回路一起组成性能较优的串级控制。 空调系统工况时的串级控制结构空调系统工况时的串级控制结构 第四章第四章 监控设计监控设计 4.14.1 硬件设计硬件设计 根据设计的要求, 该空调系统的设备控制采用了西门子的 S7 系列 PLC, 灵活配置各种不同的输入、 输出模块; 配置一台上位机, 通过与 PLC 进行通讯, 实现集中控制、数据记录和打印等功能。控制系 统的硬件结够如下图采用西门子 S7 - 300 系列 PLC 做系统主站, CPU 型号 313C- 2DP , 同时根据设 计需要安装 PS307 2A 电源模块, CP340 -

59、RS232C 模块和 CP343 - 1 Lean 模块。为提高系统的可靠 性, 外加一台触摸屏人机界面,可以在上位机不能正常工作时监控、操作系统。采用西门子 S7 - 200 系列 PLC 做系统从站, CPU 型号 224 , 根据不同的设备控制要求, 搭配不同的扩展模块。由于控制的 设备较多, 按照设计要求, 各从站都配备了触摸屏, 可以就地监控操作设备的运行。PLC 可以向现场 触摸屏和上位机传递设备的实时状态, 接受并执行现场触摸屏或上位机的实时控制指令。采用一台研 工控机作为上位机( 配置: Pentium4/2.4G 主频/256M 内存/60G 硬盘/17 液晶显示器) , 配

60、备有 D- LINK 10/1OOM 自适应网卡。作为上位机, 以数据、图形和表格形式显示系统运行状态, 发出控制命令 并完成记录、存档和打印等消息处理。系统内部设有总线型智能多点温湿度检测仪, 可以对工程内部 典型的房间的温湿度及 CO2 浓度实施多点远程检测控制, 并通过仪仪表的通信接口, 将数据传至上位 机。 控制系统硬件结构示意图控制系统硬件结构示意图 4.24.2 主站程序设计主站程序设计 本系统采用 SIMA TIC - 3000 的配套编程工具 STEP7 完成硬件组态下载、参数设置、读取温湿度 仪表参数程序编制、测试、调试。通常, 用户程序由组织块( 0B) 、功能块( FB、